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中國論文下載中心 [ 06-02-17 10:26:00 ] 作者：趙俊林 邱曉峰 王寶 編輯：studa9ngns
摘要：三峽工程明渠截流水文監測中，口門(mén)區的水文監測既是水文監測的重點(diǎn)，也是水文監測的難點(diǎn)。使用激光全站儀配合EPS成圖測繪系統實(shí)現施工區高危險地段的無(wú)接觸式實(shí)時(shí)監測截流戧堤裹頭形象、水位和口門(mén)寬等控制性水文要素的資料收集，具有及時(shí)、準確和安全的特點(diǎn)。在大型水利工程建設和江河測繪中推廣
應用，其
經(jīng)濟效益和
社會(huì )效益明顯。
關(guān)鍵詞：激光全站儀 EPS成圖軟件 明渠截流 三峽工程
一、前言
明渠截流水文監測是明渠截流系統工程的保障服務(wù)系統，主要為截流施工進(jìn)占戧堤的穩定性、截流河段總落差及上下游戧堤分擔落差的分配、龍口流速及其分布對拋投物的
影響提供動(dòng)態(tài)水文和水力學(xué)實(shí)時(shí)信息，同時(shí)為二期圍堰拆除區的水下形象及對導流底孔分流能力的影響等進(jìn)行全面系統的動(dòng)態(tài)監測，掌握截流全過(guò)程的截流戧堤形象和水文要素的變化特征及
規律性，為截流設計優(yōu)化、實(shí)體模型跟蹤試驗、水文預報、水文及水力學(xué)
計算、
科學(xué)研究、截流施工監理及管理決策提供準確可靠的水文信息。
口門(mén)區的水文監測是截流水文監測重要的組成部分。截流是以戧堤的不斷推進(jìn)、口門(mén)的不斷縮窄為最顯著(zhù)的特征的?？陂T(mén)的水力要素的變化是直接關(guān)系到截流施工進(jìn)展的關(guān)鍵因素之一，對資料的準確性、時(shí)效性要求極高。同時(shí)口門(mén)區的水文監測受到截流戧堤進(jìn)占施工的直接影響，安全風(fēng)險較大。因此，口門(mén)區的水文監測既是水文監測的重點(diǎn)，也是水文監測的難點(diǎn)。
在三峽工程導流明渠截流水文測報工作中，口門(mén)區水文監測主要包括實(shí)時(shí)監測截流戧堤口門(mén)寬、裹頭形象和裹頭水位測量等工作任務(wù)。為了及時(shí)、準確、安全地實(shí)施口門(mén)水文監測任務(wù)，使用了激光全站儀配合EPS成圖測繪系統。
二、測繪系統組成及特點(diǎn)
測繪系統由激光全站儀、EPS成圖軟件、計算機及數據處理與傳輸部分組成。激光全站儀是新一代測量?jì)x器，集測距、測角于一身，并且在有人立尺和無(wú)人立尺狀態(tài)下均可有效使用，在實(shí)際工作中比較靈活。EPS成圖軟件，可以方便地進(jìn)行展點(diǎn)、連線(xiàn)、編繪、計算等功能。數據處理與傳輸主要將實(shí)時(shí)監測數據、圖像傳輸至下一層使用者。該套系統的使用，實(shí)現了無(wú)人立尺狀態(tài)下測點(diǎn)坐標、高程等信息的自動(dòng)采集、處理和形成
電子數字地形圖，準確、清晰地監控截流戧堤的進(jìn)占狀態(tài)、形象和其他實(shí)時(shí)水文信息，從而有效地指導截流施工和水文測報工作。 在三峽工程明渠截流水文測測中，我們使用Trimble激光全站儀、清華山維EPS成圖軟件和太平洋數據鏈。
三、截流戧堤口門(mén)區水文監測的特點(diǎn)
與一般地區的測量相比，截流期間的口門(mén)水文監測有其特殊環(huán)境和特殊要求。
監測環(huán)境的特殊性體現在以下幾方面：
1、由于明渠截流施工采用“雙戧雙向進(jìn)占”方式，隨著(zhù)截流施工進(jìn)占，戧堤的形象和裹頭位置不斷變化。監測點(diǎn)必須隨著(zhù)戧堤進(jìn)占而實(shí)施跟蹤監測。這使得傳統的水尺觀(guān)測無(wú)法實(shí)現。
2、由于口門(mén)寬的不斷縮窄，口門(mén)區流速增大，水流對戧堤的沖刷非常劇烈，對于不斷推進(jìn)的裹頭來(lái)說(shuō)，邊坡?tīng)顩r不穩定，時(shí)常發(fā)生大幅度的沉降和局部區域的坍塌現象，監測人員很難接近戧堤水邊。
3、截流進(jìn)占的施工強度極大，不允許監測人員在施工現場(chǎng)作業(yè)甚至停留。
在技術(shù)要求上，也體現出特殊性。尤其是三峽工程明渠截流，由于其截流難度大、技術(shù)要求高，對口門(mén)水文監測提出了更高的要求：
1、觀(guān)測的連續性。水文要素監測必須連續進(jìn)行，不能間斷。保障截流施工、監理和管理決策對水文信息的需要。
2、觀(guān)測的實(shí)時(shí)性和突然性。截流施工受長(cháng)江來(lái)水、環(huán)保、氣象等因素影響和其它相關(guān)工程的制約，特別是為保證長(cháng)江不斷航，根據具體實(shí)際情況，施工進(jìn)度安排時(shí)常作較大調整。水文監測也相應調整，時(shí)常出現高密度、高強度實(shí)時(shí)測報的監測過(guò)程。
3、技術(shù)要求高?？陂T(mén)寬和水面寬測量，要求必須嚴格控制在設計的截流戧堤軸線(xiàn)上；裹頭水位測量必須保證具有國家水位觀(guān)測規范規定的水位觀(guān)測精度。
4、實(shí)施難度大。比如水位測量，一般江河上觀(guān)測并不復雜，但是在裹頭，由于大幅度的沉降，用傳統
方法實(shí)施實(shí)時(shí)觀(guān)測的難度就非常大。采用無(wú)人立尺方法觀(guān)測水位徹底解決了安全
問(wèn)題，但水面線(xiàn)的正確測定和夜間觀(guān)測難度大，需要技術(shù)上的創(chuàng )新。
四、截流戧堤口門(mén)區水文監測的實(shí)施
1、戧堤形象和口門(mén)寬測量
明渠截流期，根據截流施工進(jìn)度及時(shí)、準確監測了上、下游截流戧堤形象和口門(mén)寬。利用高精度Trimble 5601型激光全站儀所具有的免棱鏡測程可達400m、測距精度5mm+3ppm、測角精度
的特點(diǎn)，無(wú)接觸式測出裹頭的形象；使用EPS成圖軟件的
計算和編繪功能，實(shí)時(shí)繪制戧堤三維形象。根據截流戧堤設計軸線(xiàn)，計算出與堤頂和水邊兩條輪廊線(xiàn)交叉點(diǎn)的坐標，解算口門(mén)寬和水面寬。具有實(shí)時(shí)監測裹頭進(jìn)占態(tài)勢和進(jìn)占幅度，對裹頭進(jìn)占過(guò)程形象實(shí)現直觀(guān)的圖解和精確的數字成果的特點(diǎn)。
2、裹頭水位接測
截流戧堤裹頭水位是標定上下游截流戧堤分擔落差的重要指標之一，要求準確、及時(shí)。利用經(jīng)緯儀接測水位，本是一項成熟的測量
方法。但是在不同的測量環(huán)境中，應根據工作實(shí)際，采取一些技術(shù)創(chuàng )新措施。在截流戧堤裹頭水位測量工作中，根據工作實(shí)際，為保證觀(guān)測精度，采取了如下辦法：
① 垂直角和距離異步觀(guān)測
在水位監測過(guò)程中，
理論上應準確確定水位監測目標位置，準確測量待測目標的垂直角、距離等要素。但在實(shí)際工作中，水邊線(xiàn)因為波浪起伏是潮濕的，會(huì )
影響到激光全站儀的測距。所以在實(shí)際工作中，采取了垂直角和距離異步觀(guān)測。方法如下：確定水位監測目標位置后，準確測取垂直角，至少2測回數。微移測距目標（盡可能貼近目標位置）測取距離。計算目標位置的三維坐標，并使用EPS成圖系統準確標注入戧堤形象。
下面對因垂直角和距離異步觀(guān)測對水位接測帶來(lái)的誤差作簡(jiǎn)要
分析：
解析法接測水位的計算公式為：
（1）
其中，Z——測點(diǎn)高程
H——儀器站視線(xiàn)高，儀器站高程與儀器高之和。測站點(diǎn)高程由四等以上水準或電磁波導線(xiàn)測量。儀器高由鋼卷尺量取，精確到1 mm。
——天頂距
——球氣差改正值，K指大氣折光系數，R指地球半徑。在距離一定的情況下，是一個(gè)相對固定的值。
——垂直角指標差
由式（1）可以看出，水位接測的精度主要取決于垂直角觀(guān)測精度和測距精度。利用經(jīng)緯儀接測水位，是一項已經(jīng)成熟的測量方法，其精度在此不作討論。在采用垂直角和距離異步觀(guān)測的條件下，實(shí)際意味著(zhù)測距誤差的增大，對此，有必要作進(jìn)一步論證。
對式（1）微分并轉換為中誤差公式，有
（2）
式（2）中，
=206265
可看作儀器測距標稱(chēng)誤差，即5mm+3ppm
是經(jīng)緯儀垂直角測量誤差，在工作中，采用了
級全站儀。經(jīng)過(guò)2測回正倒鏡觀(guān)測，指標差一般控制在
以?xún)?，測回差一般控制在
以?xún)龋?div id="zrldfhl" class='imgcenter'>
可認為為
。
采用垂直角和距離異步觀(guān)測時(shí)，垂直角觀(guān)測是準確的。當觀(guān)測距離控制在400m以?xún)葧r(shí)，距離的測量誤差對水位接測精度影響可由表1粗略反映：
表1 距離觀(guān)測誤差對水位接測精度影響統計表
天頂距
（度）
距離
（m）
距離觀(guān)測誤差（m）
水位接測
精度(cm)
天頂距
（度）
距離
（m）
距離觀(guān)測誤差（m）
水位接測精度(cm)
100
400
0.10
1.77
95
400
0.10
0.95
0.15
2.62
0.20
1.82
0.20
3.48
0.30
2.70
350
0.10
1.76
350
0.10
0.94
0.15
2.62
0.20
1.81
0.20
3.48
0.30
2.70
97
400
0.10
1.27
92
400
0.10
0.48
0.15
1.87
0.30
1.09
0.20
2.48
0.50
1.77
350
0.10
1.26
350
0.10
0.46
0.15
1.86
0.30
1.08
0.20
2.46
0.50
1.76
在實(shí)際工作中，垂直角一般控制在2~3度，當距離觀(guān)測誤差控制在0.3米以?xún)葧r(shí)，異步觀(guān)測對測量精度的影響可以控制在1cm左右?？梢詽M(mǎn)足測量精度需要。
② 多點(diǎn)觀(guān)測
在水位接測中，對水邊線(xiàn)的判斷也是誤差來(lái)源之一。為了減少這種誤差，消除照準誤差，采用多點(diǎn)觀(guān)測取平均值，是有效的辦法。
③ 波浪影響的消除
船只的航行和裹頭投料，都可以產(chǎn)生波浪，影響水面線(xiàn)的確定，波浪也是水位誤差來(lái)源之一。為確保水位監測精度，采取適當提前和延遲監測和一定時(shí)段內連續觀(guān)測的辦法來(lái)消除波浪的影響。
為了確保觀(guān)測工作的質(zhì)量，在工作開(kāi)展前采用以上方法與水尺觀(guān)測進(jìn)行了比測工作，比測結果表明，激光全站儀的接測精度是值得信賴(lài)的。
表2 激光全站儀接測水位與水尺觀(guān)測比測成果表
序號
激光全站儀接測(m)
水尺觀(guān)測(m)
差值(m)
1
67.28
67.26
0.02
2
67.26
67.25
0.01
3
67.23
67.24
-0.01
4
67.22
67.22
0
5
67.24
67.23
0.01
6
67.26
67.24
0.02
7
67.23
67.25
-0.02
8
67.25
67.24
0.01
9
67.22
67.25
-0.03
10
67.23
67.24
-0.01
中誤差
0.017
3、監測成果的整理與傳輸
截流水文監測直接服務(wù)于截流施工、監理和管理決策，要求具有很高的時(shí)效性。利用EPS成圖系統輸出的監測成果，實(shí)時(shí)計算、繪圖、修正和合理性檢查，把實(shí)測的數據經(jīng)專(zhuān)用數據處理軟件處理后，使用數據傳輸軟件和太平洋數據鏈傳輸至水文監測數據
網(wǎng)絡(luò )中心上網(wǎng)公布或以其它方式傳至水文信息用戶(hù)。
五、結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗，激光全站儀配合EPS成圖測繪系統在三峽工程明渠截流水文測報中的
應用是成功的。圓滿(mǎn)完成了任務(wù)，收集到了寶貴的水文資料，對截流施工的順利進(jìn)行提供了有力的保障，充分發(fā)揮了水文工作“尖兵”和“耳目”的作用，為后續的分析和科研工作打下了基礎。
與傳統的測量方法相比，激光全站儀配合EPS成圖測繪系統在以下幾方面表現出明顯的優(yōu)勢：
1、確保人員安全
該套系統成功運用，實(shí)現了無(wú)接觸方式監測，徹底消除了裹頭垮塌、施工機械等因素對測量人員的威脅，確保了測量人員的安全。
現代科學(xué)技術(shù)的
發(fā)展為安全生產(chǎn)提供了有力的保證。
2、觀(guān)測精度得以提高
激光全站儀的應用使單點(diǎn)測量精度有了保障，EPS成圖軟件使成圖過(guò)程中的展點(diǎn)、勾線(xiàn)等繪圖誤差基本消除，提高了測量成果精度。整個(gè)測繪系統的應用，基本可以消除人為操作產(chǎn)生的錯誤和誤差。成果質(zhì)量在整體上上了一個(gè)新臺階。
3、提高了工作效率
無(wú)人立尺測量方法的實(shí)現，避開(kāi)了裹頭垮塌、施工機械等不利因素對測量速度的影響，EPS成圖軟件的使用免去了計算、繪圖等傳統的手工工作中必不可少的環(huán)節，便于監測成果的合理性檢查；配套的程序實(shí)現了成果表的自動(dòng)生成和數據遠傳，整個(gè)工作基本實(shí)現了自動(dòng)化，大大提高了工作效率。
4、改善了測量工作環(huán)境
由于測量工作人員遠離高強度的施工區域，避開(kāi)了噪聲、煙塵和飛沙走石的工作環(huán)境，有利于保護儀器設備和資料的安全整潔。更重要的是，體現了“以人為本”的新的工作思路。
激光全站儀配合EPS成圖軟件測繪系統在三峽工程導流明渠截流水文測報中的應用結果表明，這套系統在配置上是先進(jìn)的，在技術(shù)上是成熟的，在今后的類(lèi)似工作中具有廣泛的應用前景。
